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硕上论文c s p 工艺与传统工艺热轧板组织性能比较的研究 摘要 c s p 生产线由于具有投资少、建厂周期短、高效率和低成本等优势，已经被越来越 多的热轧板生产厂家所采用。但由于c s p 工艺的冶金流程、材料的冶金凝固过程特征、 相变历史和工艺过程同传统厚板坯生产工艺均有不同，采用c s p 工艺生产的低碳热轧板 的屈服强度和屈强比普遍偏高，增加了后续冷轧流程的难度。因此对两种工艺生产的低 碳热轧板进行系统的力学性能和微观组织上的分析，找出其中存在的差异，对于生产工 艺的改进是非常有意义的。 本文通过对两种工艺所生产的低碳热轧板的力学性能和微观组织进行分析，得出结 论认为：c s p 工艺的低碳热轧板与传统工艺的相比，前者屈服强度和屈强比均高于后者， 而塑性低于后者，这与实际生产中所遇到的问题是一致的；其中，铁素体的晶粒尺寸并 不是引起这种差异的主要原因，而晶粒尺寸的分布范围、珠光体形貌、晶粒取向差和织 构的分布均对其有着一定程度的影响。 通过对不同退火温度下的冷轧钢板的硬度测定和显微组织观察，确定了压下率为 6 0 的冷轧钢板的再结晶温度为5 7 5 。c 。并通过根据其所设计的不同退火工艺表明：不 同等温退火温度对压下率为6 0 的冷轧钢板的力学性能虽有影响，但是不大。 关键词：c s p 工艺，传统工艺，低碳热轧板，屈强比 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t c s pp r o d u c t i o nl i n e ，a se n j o y i n gt h ea d v a n t a g e so fl o wi n v e s t m e n t , s h o r tp e r i o d ，h i g h e f f i c i e n c ya n dl o wc o s ta d v a n t a g e s ，h a sb e e na d o p t e da n da p p l i e db ym o r ea n dm o r e h o t - r o l l e dp l a t e s m a n u f a c t u r e r s h o w e v e r , d u et ot h ed i f f e r e n c e so nm e t a l l u r g i c a lp r o c e s s e s ， m a t e r i a l s m e t a l l u r g i c a ls o l i d i f i c a t i o np r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c s ，p h a s ec h a n g ea n dt e c h n o l o g y p r o c e s so fc s pt e c h n o l o g yw i t ht h o s eo ft r a d i t i o n a lt h i c ks l a bp r o d u c t i o np r o c e s s e s ，i ti s u s u a l l yr e s u l t e di nh i g h e ry i e l ds t r e n g t ha n dh i g h e ry i e l ds t r e n g t hr a t i oi nl o w - c a r b o n h o t - r o l l e dp l a t eb yc s pt e c h n o l o g y ，w h i c hh a sl e a dt od i f f i c u l t i e si nf o l l o w i n gc o l d - r o l l i n g p r o c e s s t h e r e f o r e ，i t i s q u i t em e a n i n g f u l t of i n d t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r eo ft h e l o w - c a r b o nh o t - r o l l e dp l a t e sm a d eb yt h et w o t e c h n o l o g i e s ，w h i c hh a sa l s om a d es e n s et ot h em a n u f a c t u r et e c h n i q u ei m p r o v e m e n to f l o w - c a r b o nh o t r o l l e dp l a t e s b a s e do nt h ea n a l y s i so fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r ei nl o w - c a r b o n h o t r o l l e dp l a t e sp r o d u c e db yt h e s et w op r o c e s s e s ，t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ：i th a sr e s u l t e di n h i g h e ry i e l ds t r e n g t ha n dh i g h e ry i e l ds t r e n g t hr a t i oo fl o w - c a r b o nh o t - r o l l e dp l a t e sb yc s p p r o c e s sa sc o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a lp r o c e s s ，a sw e l l a sl o w e rd u c t i l i t yt h a nt h a t m a n u f a c t u r e db yt r a d i t i o n a lp r o c e s s ，w h i c hi sc o n s i s t e n tw i t ht h ep r o b l e m sa p p e a r e dd u r i n g t h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o n ；t h er e a s o n sf o rw h i c h ，f e r r i t eg r a i ns i z ei sn o tt h em a i nr e a s o n , b u t t h ed i s t r i b u t i o n so fg r a i ns i z e ，p e a r l i t em o r p h o l o g y ，g r a i no r i e n t a t i o na n dt e x t u r eh a v ep l a y e d a np a r to nt h ed i f f e r e n c et oac e r t a i ne x t e n t b yt h e m e t h o d so fh a r d n e s sm e a s u r e m e n t sa n dm i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o n so n c o l d r o l l e ds t e e lp l a t e sa n n e a l e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ，w ef i n a l l ym a k ec e r t a i nt h a tt h e r e c r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r eo ft h ec o l d - r o l l e ds t e e lp l a t ei s5 7 5 cw i t ha nu n d e r - p r e s s u r er a t e o f6 0 a n dt h r o u g hd i f f e r e n ta n n e a l i n gp r o c e s s e s ，i th a sb e e na l s of i n do u tt h a ta n n e a l i n g t e m p e r a t u r ed o e sh a v eb u tv e r yl i t t l ei m p a c to nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec o l d - r o l l e d s t e e lp l a t ew i t ha nu n d e r - p r e s s u r er a t eo f6 0 k e yw o r d s ：c s pp r o c e s s ，t r a d i t i o n a lp r o c e s s ，l o w - c a r b o nh o t - r o l l e dp l a t e s ，y i e l d s t r e n g t hr a t i o i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：硷旦日 川年z 月呷日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生躲姓 岬年多月彳日 硕士论文c s p 工艺与传统工艺热轧板组织性能比较的研究 1 绪论 1 1 薄板坯连铸连轧工艺简介 1 1 1 薄板坯连铸连轧工艺的发展与近况 薄板坯连铸连轧是2 0 世纪8 0 年代末开发成功的生产热轧板卷的一种全新的短流程 工艺，是继氧气转炉炼钢、连续铸钢之后钢铁工业最重大的革命性技术之一。对此各国 都给予了高度关注，并先后投入了大量的人力、物力进行研究、开发和推广。从1 9 8 9 年世界上第一条薄板坯连铸连轧生产线( c s p ) 在美国印第安纳州纽柯钢铁公司克劳福兹 维尔厂投产至今，由于该工艺具有节能、投资省、生产周期短、生产率高、成本低、适 应性强等优点，己引起国际冶金界的高度重视【1 2 】。 根据前几年的统计资料，目前国内外己投产和在建的薄板坯连铸连轧生产线已有4 9 条，形成约4 9 0 0 万妇的生产能力。最近的资料表明：薄板坯连铸连轧生产厂家己达3 7 个，连铸机5 8 流，产能近6 0 0 0 万妇，其中c s p 占7 0 。我国1 9 9 6 年4 月在北京与德 国西马克财团签订了三家公司捆绑引进设备的合同。这三家公司是：广州珠江钢铁有限责 任公司、邯郸钢铁公司和包头钢铁公司( 以下分别简称：珠钢、邯钢、包钢) 。1 9 9 9 年8 月和1 1 月，珠钢与邯钢c s p 生产线相继投产，包钢也于2 0 0 1 年8 月建成投产。在此期 间，我国唐钢、涟钢和马钢也分别与意大利d a n i e l i 、日本m i t s b i s h i 及s m s d e m a g 公司签订了薄板坯连铸连轧技术设备引进合同。鞍钢在自我消化吸收的基础上自力更 生，依靠国内技术，于2 0 0 0 年底建成了一条中厚坯( 1 3 0 m m ) 连铸连轧生产线( a s p 技术) 。 至此，我国薄板坯连铸连轧技术装备的产能已达到1 5 0 0 万讹。其他一些钢厂也在考虑 新建薄板坯连铸连轧生产线，我国成为继美国之后的薄板坯连铸连轧技术应用大国【3 1 。 与此相应，c s p 薄板坯连铸连轧生产中出现的各种质量控制问题、新品种开发问题 己提到议事日程。薄板坯连铸连轧工艺问世十余年来发展迅速，最初阶段只在以废钢为 原料的紧凑式电炉钢厂及一般大路货板带产品方面得到应用。随着工艺及装备技术的提 高，在生产能力及品种质量方面都有了长足的进步。近年来己在以高炉铁水为原料，以 转炉冶炼为主的大型钢铁联合企业中得到应用。其产品除奥氏体不锈钢等个别品种尚待 进一步完善工艺外，几乎能覆盖其余所有的常规热轧板材，产品性能及内部和表面质量 也与传统工艺基本相当或更高。由于薄板坯连铸连轧的工艺特点适宜于生产超薄规格的 板带材，特别是采用无头轧制工艺后可生产厚度为0 7 0 8 m m 的超薄产品，可直接或经 酸洗，或经热镀锌后用于过去必须使用价格高得多的冷轧材的地方，这在经济效益和市 场占有方面更增添了新的活力。此项技术今后仍有广阔的市场前景，是目前钢铁界的技 术热点 4 - 5 1 。 l 绪论 硕士论文 1 1 2 几种典型的薄板坯连铸连轧工艺及其比较 1 1 2 1c s pt 艺 c s p ( 紧凑式热带生产技术，c o m p a c ts t r i pp r o d u c t i o n 的缩写) 是较为成熟的典型薄板 坯连铸连轧工艺之一。目前，在c s p 线连轧关键技术中，均热采用直通式辊底隧道炉， 冷却采用层流快速冷却技术，而且c s p 线轧机的布置与传统生产线不同，精轧机组与均 热炉紧密衔接，大压下和高刚度轧制等，是现代薄板坯连铸连轧的工艺特点之一。直通 式辊底隧道炉可以保证坯料头尾无温降差，因而不需要采用类似于带钢边部加热、提速 或中间机座冷却的修正措施来均匀板坯温度：层流快速冷却可保证薄板在长度及宽度方 向上温度均匀，抑制微合金元素的固溶状态，实现薄板中析出物细小弥散析出，有利于 相变强化和组织细化。由于板卷头尾无温差，温度均匀，因此各板卷头尾的组织性能十 分均匀，另外，据c s p 线的大生产统计分析，对于相同成分的低碳钢，通过c s p 生产的 板材的强度比采用传统流程生产的明显高，纵横向力学性能更均匀，基本上无各向异性。 c s p 线的铸坯厚度一般在5 0 7 0 r a m ，精轧机组由5 7 机架组成。 1 1 2 2i s p 工艺 i s p 工艺在带液芯压下，铸坯输送及开卷等方面采用很多的新技术。其流程短、设 备紧凑。两流或三流生产时，由于i s p 工艺成卷过渡操作方便，因而优点明显。阿尔维 迪厂几年生产也证明，产品质量好。其缺点是水口寿命短，克雷莫纳( c r e m o n a ) 炉缓冲 时间短，连浇炉数少，产量不稳定。此外还有一个突出的特点是，i s p 工艺在压下轧机 和连铸之间为真正的连铸连轧，二者为刚性联结，一旦发生故障将对连铸机生产造成较 大的影响。 1 1 2 3t s r 和c o n r o l l 工艺 t s i 江艺优点明显，工艺可靠、注重整体、技术先进。该工艺适用于大型钢铁联合 企业改造要求，同时可满足高炉一转炉流程要求【6 】。 奥钢联的c o n r o l l 生产线，工艺简单、技术成熟，经过几年的生产实践证明，该 工艺具有灵活性强、质量高及生产效率高等特点。 1 1 3c s p 工艺的特点 与传统轧制工艺相比，c s p 工艺具有如下特点： ( 1 ) 凝固与轧制过程的不同 把连铸和轧制衔接起来的工艺与传统工艺进行对比，这种新工艺有许多的组织现 象。薄板坯近终形浇铸产生良好的细化铸造组织，显微偏析小，组织细小且分布均匀。 板坯厚度减小，提高冷却速率，可减d x - 次枝晶间距【7 j 。在直装中，轧前原始奥氏体晶 粒比传统工艺再加热后的晶粒尺寸要粗大。直接轧制工艺取消了丫一a 相变温度区的中 间冷却，热轧变形是在粗大的奥氏体组织上直接进行；而传统的所谓冷装或热装工艺， 2 硕士论文c s p 工艺与传统工艺热轧板组织性能比较的研究 通过中间冷却的丫一0 【专丫相变过程，形成较为细化的新的奥氏体组织。为了把粗大的 奥氏体组织转变成细小的最终组织，对于直轧工艺需要确定合适的总变形量。对于采用 5 0 m m 厚的板坯而言，这个变形量比传统工艺厚板坯轧制的总变形量小，从这个角度讲， 不利于减轻粗大铸态奥氏体组织及可能发生收缩带来的危害，从而导致粗大的结晶奥氏 体组织和丫_ 0 1 相变后的粗大不均匀的铁素体组织，所以薄板坯连铸连轧的性能的提高 有一定困难。c s p 工艺的压下规程安排也与传统生产方法有一定的区别，虽然总变形量 小，但每道次的变形量较大，是传统工艺道次变形量的2 倍左右。通过优化工艺参数， 使直轧工艺在总变形量较小时，仍可以获得与厚板坯冷装工艺相当的性能【8 】。 圈专 图寸园一圆 a ) 薄板坯连铸连轧工艺流程 困- - 圆彳匿- - 圆- - - 圈j 园j 圆 i 冷却至室温或约6 0 0 0 c 热装热送i b ) 传统工艺流程 图1 1 薄板坯连铸连轧与传统工艺流程程的比较 ( 2 ) 第二相粒子的析出行为不同 在连铸连轧生产时，为了细化粗大的奥氏体晶粒，就不得不进行多次晶粒细化过程： 为了细化晶粒，必须发生完全再结晶。奥氏体的再结晶行为可以通过加入微合金元素得 以改善。与传统工艺相比，薄板坯连铸连轧工艺具有独特的微合金元素行为，这是由于 铸坯凝固后较高的冷却速度以及直装铸坯温度，使合金元素在溶解和析出过程中表现出 来的行为与传统工艺不同，即可由碳、氮化合物溶解和沉淀强化的不同作用来解释【9 】。 微合金元素在c s p 工艺热轧开始前，在奥氏体中几乎完全溶解，不像传统生产工艺的板 坯因冷却而析出，具有全部微合金优势，可用于奥氏体晶粒细化和最终组织的析出强化， 所以会对最终产品的性能产生重要的影响。在传统工艺再加热前的冷却过程中，部分合 金元素已经以碳化物和氮化物的形式析出，随后因有限的加热温度，仅有少部分元素及 化合物能够溶解，所以损失了一部分可细化奥氏体晶粒和最终沉淀强化的微量元素及第 二相粒子。 ( 3 ) 辊道上的传输速度不同 c s p 线与传统热轧工艺的板带在传输辊道上的传输速度有较大差异。例如在轧制 1 o h m l 带材时，带材在输出辊道上的极限运行速度约为1 2 5 m s ( 传统速度2 0 m s 左 l 绪论硕士论文 右) 【l o 】。因为传输速度的差异，随后的冷却形式和卷取温度也因之而发生变化，从而进 一步影响着板带组织的结构、状态和最终性能。 基于上述原因，薄板坯连铸连轧工艺与传统热轧工艺不同，必须对最终组织与析出 物生成有直接关系的均热、压下规程和冷却等工艺参数给予高度重视。 ( 4 ) 高效除鳞技术 在整个轧制过程中板坯始终处于很高的温度下，没有传统板坯温度下降到室温的过 程，并且加热时间和板坯出加热炉到进入出鳞机时间很短，薄板坯温降很小，氧化铁皮 在板坯表面薄且粘，很难去除，因此用薄板坯生产的热带，表面质量一直是一个较难解 决的问题。西马克公司开发的与薄板坯连铸连轧设备配套的高压小流量高效除鳞设备， 压力达3 5 - - 4 5 m p a 。整个c s p 生产线是一个系统工程，它涉及到各种设备的技术参数、 材料的特性、材料的冶炼和轧制规程的设定等【l l 】。 这种复杂的关系标志着c s p 线的技术优势和发展潜力，为研制和开发新钢种及生产 各种用途的优质产品提供了条件。 综上所述，c s p 生产线有其独特的特点，并不是传统热轧生产的补充或简单改造， 因而具有研究的价值和必要性。 1 1 4c s p 技术发展的趋势 c s p 技术发展趋势包括【1 2 】： ( 1 ) 提高生产能力 初期的单流薄板坯连铸机的生产能力为5 0 8 0 万t 仳与之相配的一条装备完善的热连 轧线的生产能力可达2 8 0 3 0 0 万妇。而轧制部分的投资约占全部投资的2 3 ，因此应尽量 提高连铸部分的生产能力，以便充分发挥投资效益。连铸机作业率一般都能高于轧机作 业率，故在一定的产品规格条件下，通过提高拉速及增加铸坯厚度即可有效的提高铸机 及整个生产线的生产能力。铸坯厚度有增加的趋势。也可以用两套连铸机与_ 套轧机相 配合。 ( 2 ) 扩大品种提高质量 薄板坯连铸连轧工艺最初主要是以满足小钢厂生产大路货产品为目标。随着工艺技 术和装备的改进，不仅在生产能力上上了一个台阶，而且在品种质量方面也有很大的改 进和提高。在美国a c m e 厂的c s p 已对含碳 9 5 转变量) 的温度。但是，应当指出，再结晶温 度并不是一个物理常数，这是因为再结晶前后的晶格类型不变，化学成分不变，所以再 结晶不是相变，没有一个恒定的转变温度，而是随条件的不同( 如变形程度、材料纯度、 1 2 硕士论文 c s p 工艺与传统1 = 艺热轧板组织性能比较的研究 退火时间等) ，再结晶温度可以在一个较宽的范围内变化心】。 影响再结晶温度的因素很多。例如金属的变形度越大，金属中的储存能越多，再结 晶的驱动力越大，故金属的再结晶温度越低，但当变形度增加到一定数值后，再结晶温 度趋于一定稳定值；又如，金属的纯度越高，则其再结晶温度越低。这是因为杂质和合 金元素溶入基体后，趋向于位错、晶界处偏聚，阻碍位错的运动和晶界的迁移，同时杂 质及合金元素还阻碍原子的扩散，因此显著提高再结晶温度。此外，形变金属的晶粒越 细小，其再结晶温度越低。这是因为形变金属的晶粒越细小，单位体积内晶界总面积越 大，位错在晶界附近塞积导致晶格强烈扭曲的区域也越大，提供了更多的再结晶成核场 所。 加热速度和保温时间也影响再结晶温度。若加热速度十分缓慢时，则变形金属在加 热过程中有足够的时间进行回复，使储存能减少，减少了再结晶的驱动力，导致再结晶 温度升高。 1 4 2 再结晶晶粒大小的控制 变形金属经再结晶退火后，力学性能发生了重大变化，强度、硬度降低，塑性、韧 性增加。但这并不意味着与变形前的金属完全相同，其中心问题是再结晶后的晶粒大小。 再结晶晶粒的平均直径d 可用下式表达： d ：斛导) 对 ( 1 1 0 ) 式中，为形核率；g 为长大线速度；k 为比例常数。由此式可知，再结晶后的晶 粒大小决定于g 比值。要细化晶粒，就必须使g 比值减小。因此，控制影响和 g 的各种因素即可达到细化再结晶晶粒的目的。控制再结晶晶粒大小具有重要的实际意 义，主要影响因素有： ( 1 ) 变形度 ( 2 ) 再结晶退火温度 提高再结晶退火温度，不仅使再结晶后的晶粒长大，而且还减小临界变形度的具体 值。 ( 3 ) 原始晶粒尺寸 当变形度一定时，材料的原始晶粒度越小，则再结晶后的晶粒也越细小。这是由于 细晶粒金属存在着较多的晶界，而晶界又往往是再结晶形核的有利地区，所以原始细晶 粒金属经再结晶退火后仍会得到细晶粒组织。 ( 4 ) 合金元素及杂质 溶于基体中的合金元素及杂质，一方面增加变形金属的储存能，另一方面阻碍晶界 的运动，一般均起细化晶粒的作用。 l 绪论 硕士论文 1 4 3 影响晶粒长大的因素 晶粒长大是通过晶界迁移来实现的，所有影响晶界迁移的因素都会影响晶粒长大， 这些因素有： ( 1 ) 温度 由于晶界迁移的过程就是原子的扩散过程，所以温度越高，晶粒长大速度就越快。 通常在一定温度下晶粒长大到一定尺寸后就不再长大，但升温后晶粒又会继续长大。 ( 2 ) 杂质及合金元素 杂质及合金元素溶入基体后都能阻碍晶界运动，特别是晶界偏聚现象显著的元素， 其作用更大。一般认为被吸附在晶界的溶质原子会降低晶界的界面能，从而降低了界面 移动的驱动力，使晶界不易移动。 ( 3 ) 第二相质点 弥散的第二相质点对于阻碍晶界移动起着重要的作用。大量的实验研究结果表明， 第二相质点对晶粒长大速度的影响与第二相质点半径( r ) 和单位体积内的第二相质点 的数量( 体积分数叩) 有关。达到平衡时的稳定晶粒尺寸d 与r 、9 有下述关系： d = 芸 m 可见，晶粒大小与第二相质点半径成正比，与第二相质点的体积分数成反比。也就 是说，第二相质点越细小，数量越多，则阻碍晶粒长大的能力越强，晶粒越细小。 ( 4 ) 相邻晶粒的位向差 晶界的界面能与相邻晶粒间的位向差有关，小角度晶界的界面能小于大角度晶界的 界面能，而界面移动的驱动力又与界面能成正比，因此，前者的移动速度要小于后者。 1 5 本研究的目的、意义及主要研究内容 1 5 1 本研究的目的、意义 冷轧冲压用薄钢板，由于具备强度高，深冲性能好，表面光洁等特点，广泛应用于 家用电器、汽车、农业机械等制造业以及用作镀锌板、镀锡板的基板和薄壁焊管的原料， 它的生产是钢铁工业中的重点。其中，冷轧冲压用薄钢板的性能有很大一部分取决于热 轧钢板的性能。 从国内外情况看，尽管用传统工艺流程所生产的冷轧冲压用薄钢板的基料热轧板， 无论从成分的设计还是生产工艺控制技术都已经非常成熟，并已经生产出不同冲压级别 的冷轧冲压用热轧板，然而由于薄板坯连铸连轧生产工艺比传统生产工艺具有投资少、 建厂周期短、高效率和低成本等优势，所以已经有越来越多的冷轧冲压用薄钢板采用薄 板坯连铸连轧生产线所生产的热轧板。 由于薄板坯连铸连轧的冶金流程、材料的冶金凝固过程特征、相变历史和工艺过程 1 4 硕士论文c s p 工艺与传统工艺热轧板组织性能比较的研究 与传统工艺有较大不同，因而采用该工艺所生产的低碳热轧板的力学性能普遍偏高，尤 其是屈服强度偏高。这对采用薄板坯连铸连轧工艺生产冷轧冲压用热轧板提出了新的课 题，即如何控制热轧板的力学性能并使其能满足冷轧工艺及成形性能的要求。 本研究的目的是，对薄板坯连铸连轧工艺和传统厚板坯工艺生产的两种热轧板，进 行力学性能和微观组织比较，找到其中存在的差异，搞清产生差异的机制和影响因素。 并在实验室条件下模拟实际生产线上的罩式退火工艺，研究不同退火温度对以c s p 工艺 热轧板为冷轧基料的冷轧钢板的力学性能的影响。 1 5 2 主要研究内容 本论文的主要研究内容有： ( 1 ) 通过对比分析研究c s p 工艺和传统工艺所生产的低碳热轧板的差异 采用万能试验机、金相显微镜、扫描电镜( s e m ) 、电子背散射衍射( e b s d ) 等手 段研究两种工艺热轧钢板的力学性能和组织状态上的差异。 ( 2 ) 测定不同压下率下的冷轧钢板的再结晶温度 通过测定不同等温温度处理下冷轧钢板的硬度值和观察金相组织的方法确定不同 冷轧压下率下的再结晶温度。 ( 3 ) c s p 工艺s p h c 热轧板的冷轧退火工艺研究 在实验室条件下，通过设计不同的退火处理工艺，探讨退火温度对力学性能的影响。 1 5 2 试验材料和方法 硕士论文 2 试验材料和方法 2 1 试验材料 本实验所用材料为分别由c s p 工艺和传统热轧工艺所生产的s p h c 、s p h d 和s p h e ， 其厚度均为3 m m ，其标注化学成分如表2 1 表2 1 本实验所用材料的化学成分 工艺 铸坯规格成品厚度轧制道次开轧温度终轧温度卷取温度 m m x m mm m次 从表2 2 中可以看到，c s p 流程是从7 0 m m 的铸坯到3 m m 的热轧板，而传统工艺 是从2 5 0 r a m 到3 m m ，从总的变形量来看，前者明显要小于后者，而且轧制道次差别也 特别大，这会对热轧钢板的组织和力学性能产生非常大的差异。 2 2 实验方法及过程 2 2 1 成分检测 为了能够确保本研究在化学成分基本一致的基础上进行，首先对上述各试样进行化 学成分的检测。实验所用设备为美国热电公司所生产的i n t r e p i d x s p 型的i c p 高频耦合 等离子光谱仪。 本检测在南京钢铁联合有限公司技术质量部检测中心进行。 1 6 硕上论文 c s p 工艺与传统工艺热轧板组织性能比较的研究 2 2 2 拉伸试验 将上述六种热轧钢板试样在微机控制电子万能试验机上进行单向拉伸实验，得到应 力一应变曲线，并测定材料的下屈服强度、抗拉强度、延伸率等力学性能指标，并由此 计算出屈强比，所用试验机型号为s a n s c m t 5 1 0 5 低碳钢薄板单向拉伸试验在轧制方向上进行取样，根据国家标准( ( g b t 2 2 8 2 0 0 2 金 属材料室温拉伸试验方法，单向拉伸实验的厚度应该均匀，标距长度内厚度变化不应 大于0 0 1 m m ；切取样坯和机械a n t 试样时，应防止因加工硬化或热影响而改变材料的 性能，因此，切取拉伸试样选用电火花线切割的方法。试样加工形状及原始尺寸见图2 1 图2 1 单向拉伸试样 其中，图中所标注尺寸均按照国家标准( ( g b t 2 2 8 2 0 0 2 金属材料室温拉伸试验方法 中所规定的标准进行加工，具体数值见表2 3 表2 3 单向拉伸试样的尺寸 2 2 3 金相组织观察 为了能够准确地了解c s p 工艺与常规工艺对热轧钢板组织的影响，在板材的轧向取 样，观察部位如图2 2 所示。对试样断面进行打磨、抛光，然后用4 的硝酸酒精溶液 浸蚀5 7 秒，之后在光学显微镜下进行观察并拍照。 医z 乙乙z z 殛基受受雯z z z z 囫乍板厚 图2 2 金相组织观察部位 对金相照片进行观察后，用截线法测算出每种试样的晶粒尺寸，具体计算方法如下： 1 7 2 试验材料和方法 硕上论文 平均截距，：试样检验面上晶粒截矩的平均值。 ? = 上= 兰 m o pa ( 2 1 ) 式中： l ：所使用的测量线段( 或网格) 长度，单位为毫米( i m n ) ； z ：试样检验面上晶粒截距的平均值； m ：观察用放大倍数； p ：测量网格上的截点数； p l ：试样检验面上每毫米内的平均截点数。 为了获得合理的平均值，每个试样任选3 5 个视场进行测量。在计算截点时，测量 线段终点不是截点不予计算；终点正好接触到晶界时，计为0 5 个截点；测量线段与晶 界相切时，计为1 个截点；明显地与三个晶粒汇合时，计为1 5 个截点。 然后利用i t 软件测出照片中每个晶粒的尺寸，并利用o r i g i n 绘图软件做出不同尺 寸范围内晶粒分布含量的柱状图。分别分析晶粒尺寸和晶粒尺寸分布对力学性能的影响 规律。 2 2 4 扫描电镜( s e m ) 显微分析 2 2 4 1 轧向组织观察 利用扫描电镜对c s p 工艺与传统工艺的热轧钢板的轧向组织进行观察，主要观察以 下两个方面： ( 1 ) 铁素体的形貌： ( 2 ) 珠光体含量及形貌的观察。 2 2 4 2 拉伸断口观察 应用扫描电镜对拉伸断1 3 进行形貌观察和夹杂物的观察，并用观察的现象与试样的 拉伸结果比较。 2 2 5 背电子散射( e b s i ) ) 分析 多晶体在外场的作用下发生的形变、相变、再结晶等过程在微观上都是不均匀的， 不同区域的取向变化不同，形成新相或新晶粒的趋向和转变速度。生长能力就不同，这 些信息为确定最终织构的原因提供了最有力的证据。 电子背散射衍射技术是基于扫描电镜中电子束在倾斜样品表面激发出并形成的衍 射菊池带的分析从而确定晶体结构、取向及相关信息的方法。入射电子束进入样品，由 于非弹性散射，在入射点附近发散，在表层几十纳米范围内成为一个点源。由于其能量 损失很少，电子的波长可以认为基本不变。这些电子在反向出射时与晶体产生布拉格衍 l r 硕l 论i c s p i 艺传统t 艺热轧板组织性能比较的研究 射，称之为电子背散射衍射。基fe b s d 技术的取向成像分析使我们获得更加丰富的材 料内部信息。从一张组织形貌像中，我们仪能获得晶粒大小、形状及分布的信息。即使 经过图像分析系统处理，也只能得到与形貌相关的定量信息。而取向成像可提供远多于 这些的信息，除各种形貌类信息外，还柏备品粒的取向、不同相的分柿、晶界的类型甚 至位错密度的高低等定量信息。凶此，e b s d 技术能揭示出很多直接观察难以得到的信 息，它对我们全面认识材料制各过程机理和本质至关重要。 根据前面所述，我们知道c s p 工艺和传统工艺由r 热历史和轧制工艺的不同，这势 必对热轧板的织构有着很大的影响，而织构又会对热轧板的力学性能产生影响。本次试 验以c s p 工艺和传统工艺生产的s p h c 热轧板为研究对蒙，利用e b s d 分别采集各试 样的晶粒取向组织图和极图等，并根据数据做出试样晶粒尺寸分布图、晶粒取向差分抽 图和极图【4 3 州。 本试验在东南大学分析测试中心进行，所用仪器为s i r i o n 场发射扫描电镜( 配 g e n e s i s6 0 s 能谱及o i m 4 0 0 0 电子背散射衍射系统) ，见图23 。 图2 3s i r i o n 场投射扫描电镜 试样的制备方法为：用金相砂纸磨光观察面后，进行电解抛光。其中电解抛光参数 为： 抛光液：2 0 高氯酸+ 1 0 甘油十7 0 无水乙醇； 温度： j r ， ，。奇，一 jj 、1 ! 竺! 一! 竺! ! ! 竺! ! 塑燧垦叟 b ) 传统上艺 削3 】3c s pj ：艺和传统i 艺热轧钢板s p h c 轧向组织扫描电镜照片 3c s p 热n 扳ij 传统热轧板山学性能8 微纽织”m n * 目i 睦i 从图31 3 中可以看出，c s p 工艺所生产的热轧带钢f f t 观察不到明显的珠光体的存 在，坩传统工艺所生产的热轧带铡中，在铁索体晶界上分布着少量层状的珠光体。由于 珠光体的分和范围占晶界的面积特别小，从而对塑性变形叫位错滑移的阻碍也特别小， 由此引起的噶度的变化也很小。由此可见，珠光体的的微量存在并小足以引起两种工艺 所7 l 产地热轧板屈服强度和屈强比如此大的差异。 3 5 拉伸断口分析 对c s p 工岂和传统工艺的热轧带钢s p i i c 沿轧向在室温卜的拉伸试样的断口进行 s e m 观察，其形貌分别如图21 5 所示。 a ) c s pr # b ) 传统】：艺 凹3 1 4 c s pi 艺雨j 传统j 艺s p h c f i 轧向的拉伸断n 形虢 颂论女c s pi 芭与传统t 兰热轧扳组织性能比较的w f 究 从图中可以看出，神图中的断口中有细小的弥散的析出物析出，这些析出物会对位 错的滑移产生阻碍，这样的组纵能够提高强度，但是析h 物往往是导致产生裂纹的裂纹 源，从而对担性产生不利的影响。这样的结论与前面所测得的力学性能是对应的，说明 在c s p 热轧带铡中有着比较多的析出物。 马钢曾经专门对析出物进行过研究，得出的结| 仑是：在c s p 热轧钢种存在着3 种尺 寸缴别的第二相粒亍，它们尺寸分别为纳米级的、砸微米级的和微米缴的，种类丰要是 氧化物、硫化物和氮化物粒子1 9 i 。 在c s p 的生产t 艺中，“i 于铸坯中的微量元素变形前绝大部分一直处于固溶状态， 在随后的变形中，诱导析出成为细小析出物均匀分布，将阻碍位错运动，堵塞晶界、亚 晶界的迁移，从而产生了沉淀强化。而在传统工艺再加热前的冷却过程中，部分台会元 素已经| 三l 碳化物和氮化物的形式析出，随后虽然有一定的加热，但是这种加热只能使少 部分元素及化合物能够溶解，所以损失r 一部分可最终沉淀强化的微量兀素及二柏粒 工 但是山于奉炎验是普通低碳钢，无论在品内，还是在品界，析出物的含量都不可能 太多，所| 三【析出物对强度的贡献虽冉影响，但是并不大。 3 6 e b s d 观察 3 6 1 晶体学取向分析 a 1 c s pf i 艺 3c s p 热轧扳j 传统热轧扳山学性能月姓微组织的对m * 析 + 论文 b ) 1 0 统工艺 幽3l5c s pi 艺和传统i 艺s p h c 品 e 舣向差绘制的组织幽 从图中可以看出，c s p 工艺轧制的s p h c 的晶粒尺寸比传统上艺的要大，这与通过 余相观察所得到的结论相符合。但是两者的晶粒尺寸差别比通过会相照片所统计出来的 结果要大，这从通过e b s d 所统计的品粒尺、j 分布罔上也可以看出。图3 1 6 为通过e b s d 所做h 的晶粒尺寸分布幽。 01 02 03 04 05 0 6 07 08 0 g r a i ns i z e ( d i a m e t e r ) m i c r o n s 】 a ) c s pr 艺 o一6lle 硕士论文c s p 工艺与传统工艺热轧板组织性能比较的研究 051 01 52 02 53 03 54 0 g r a i ns i z e ( d i a m e t e r ) m i c r o n s 】 b ) 传统工艺 图3 1 6c s p 工艺和传统工艺s p h c 晶粒尺寸分布图 经过计算，c s p 工艺和传统工艺所轧制的s p h c 的晶粒尺寸分别为2 1 0 u m 和 1 0 5 u m ，而通过金相组织所观察的分别为1 9 0 0 u r n 和1 6 2 1 u r n ，前者的变化不大，说明 基本一致，而后者差距却比较大。引起这种变化的原因可能是后者存在较多的亚晶。 图3 1 7 为两种钢晶粒的取向差分布图，从图中可以看出，虽然c s p 带钢试样的亚 晶含量也达到了4 5 ，但是传统带钢的试样亚晶的含量却达到了4 0 ，这与前面的分 析中所说的后者含有较多的亚晶的说法是一致的。 0 1 0 0 0 8 c o 芑0 0 6 巴 l l 岩o 0 4 e 丁 z 0 0 2 0 0 0 1 02 03 04 05 06 0 m i s o r i e n t a t i o na n g l e ( d e g r e e s ) a ) c s p 工艺 竹 舛 会| 0 0 0 0 0 0 3c s p 热轧板与传统热轧板力学性能和显微组织的对比分析 硕七论文 0 4 0 0 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 0 5 0 0 0 1 02 03 04 05 06 0 m i s o r i e n t a t i o na n g l e ( d e g r e e s ) b ) 传统工艺 图3 1 7c s p 工艺和传统工艺s p h c 试样晶粒取向差分布图 出现这种现象的原因是与两种带钢不同的轧制工艺有着很大的关系的。由于c s p 工艺是短流程，铸坯出来后是7 0 m m 厚，而传统工艺的铸坯厚度是2 5 0 m m ，最终的轧 制厚度均为3 m m ，可见后者的形变量明显要大于前者，从而产生了大量的亚晶。根据 晶界强化的理论：晶界强化是指通过晶粒粒度的细化来提高金属的强度，它的关键在于 晶界对位错滑移的阻滞效应。位错在多晶体中运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同， 加之这里杂质原子较多，也增大了晶界附近的滑移阻力，因而一侧晶粒中的塞积位错不 能直接进入第二个晶粒。这同样导致位错不易穿过晶界，而是塞积在晶界处，引起了强 度的增高。可见，晶界是位错运动的障碍，因而晶粒越细小，晶界越多，位错被阻滞的 地方就越多，多晶体的强度就越高。但是，对于小角度晶界，由于位向差小于1 0 0 ，两 侧的晶体取向差较小，所以位错较容易通过这类界面，因此小角度晶界对屈服强度的贡 献有限。 通过上面的分析可以得出结论：尽管传统工艺生产的热轧板中存在着大量的亚晶结 构，但是由于亚晶结构对强度的影响有限，从而使传统工艺的热轧板的屈服强度并没有 随着亚晶的大量出现而变化。 3 6 2 织构分析 图3 1 8 是运用e b s d 做出的c s p 热轧带钢和传统热轧带钢的试样内晶粒取向的 0 0 1 ) 、 1 1 1 ) 和 0 1 1 ) 极图。 3 6 硕l 诒i c g pi 艺与传统t 岂热轧扳自i 织忡能l 匕较的研究 001 b ) 传镜j 艺 削3 l8 两种| j 艺热轧带钢的极蚓 3c s p 热轧板与传统热轧板力学性能和显微组织的对比分析 硕士论文 从图中可以看出，c s p 工艺热轧带钢的织构不明显，而传统工艺的织构比较明显。 经过分析，前者中存在的织构主要为 1 1 0 ( 1 1 2 ) ，后者主要为 1 1 2 ( 1 1 0 ) 织构。 钢中织构的形成会受到合金成分以及诸如变形条件( 变形程序、变形温度、变形速 度、变形几何条件、样品尺寸和润滑条件等) 和材料的某些性质( 初始晶粒度、初始织 构、冶金质量、第二相及弥散度、相变、晶体结构、微量元素及含量、层错能等) 的影 响。 大量的研究表明，板材内的织构与塑性应变比r 值有着密切的关系。通常情况下， r 值越大，板材在垂直于板法线方向的板平面内塑性流动性越强，同时在板厚方向具有 足够抵抗塑性流动的能力，因此深冲性能越好。其中，不同织构类型对深冲钢板塑性应 变比的影响特点各不相同。 通过上面的分析可以知道，c s p 工艺和传统工艺热轧带钢在织构上存在着比较大的 差异，而这种差异势必会对力学性能产生影响。因此，加强对c s p 热轧带钢生产中的织 构的分析和控制，将是一个非常重要的改善热轧带钢力学性能的方向。 3 7 本章小结 ( 1 ) 通过对试验用钢板进行化学成分分析得出，两种工艺所生产的热轧钢板化学成分 基本一致，因而可以忽略化学成分所引起的力学性能上的差异； ( 2 ) 对两种工艺所生产的热轧钢板进行轧向拉伸试验，结果表明c s p 工艺的热轧钢 板的屈服强度和屈强比明显高于传统工艺，而延伸率比传统工艺略低，该结果与实际生 产情况吻合； ( 3 ) 金相组织观察表明，两种工艺热轧板的铁素体晶粒尺寸差别不大，因此铁素体的 晶粒尺寸并不是引起上述力学性能差异的主要原因；此外，晶粒尺寸的分布有着比较大 的差异，c s p 工艺的热轧板的晶粒尺寸范围比传统工艺的热轧板的更大； ( 4 ) 扫描电镜观察表明，传统工艺热轧板中存在着少量的珠光体片层组织。同时c s p 工艺下热轧板的拉伸断口显示其中有一定的弥散析出物； ( 5 ) e b s d 分析表明，尽管传统工艺下的热轧板中含有更多的亚晶，但是由于亚晶结 构